PN 정션 (PN Junction)과 제너 다이오드 (Zener diode)에 대해 알아보자

 

 

PN 정션 (PN Junction)과 제너 다이오드 (Zener diode)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

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PN 정션 (PN Junction)

 PN junction에 관해 설명하고자 합니다.

 앞선 포스팅에서 P형 반도체와 N형 반도체에 대해 알아보았었습니다.

 

 그 두 개의 N형 반도체와 P형 반도체를 접합해 둔 걸 PN 접합(p–n junction)이라고 하며, 이 PN 접합은 현대 전자공학에서 유용하게 사용할 수 있는 성질을 가지고 있습니다.

 

 P형 반도체나 N형 반도체 모두 각각의 전도율이 높습니다. 하지만 이 둘을 접합할 경우 P형 반도체나 N형 반도체 둘 사이의 접합 면은 각각 있을 때의 좋은 전도율을 가지지 않고, 좋지 않은 전도율을 가지게 됩니다.

 

 이 전도율이 떨어지는 접합 면의 영역을 부르는 명칭은 공핍영역(depletion zone)이라고 합니다. P형 반도체의 운반자인 홀과 N형 반도체의 운반자인 전자가 서로 끌어당기며 그 끌어당기는 힘으로 재결합하면서 없어지기 때문에 공핍영역(depletion zone)이 생기는 것입니다.

 

 

 우리는 이 전도율이 떨어지는 부분을 이용해서 정방향 다이오드와 역방향 다이오드라는 것을 만들고 있습니다.

 

 이러한 다이오드의 특징은 한쪽으로는 전류가 흐르는 수 있지만, 다른 쪽 방향으로는 전류가 흐르지 않습니다. 이러한 특성은 정방향 바이어스와 역방향 바이어스를 이용해서 설명할 수 있습니다.

 

 정방향 바이어스, 역방향 바이어스에서 바이어스라는 것은 P-N 접합에 전압을 걸어주는 것을 뜻하는 것입니다.

 

 정공이라고 불리는 것은 전자가 없는 부분이고, 전자가 없는 부분이라는 것을 생각해 보면 p형 반도체는 정공(홀)이 많기 때문에 전자의 밀도가 낮은 상태입니다.

 

 

 이와 반대로 n형 반도체는 전자가 많기 때문에 전자의 밀도가 높은 상태가 됩니다.

 

 정공이 많은 p형 반도체와 전자가 많은 n형 반도체가 서로 접합하게 된다면 접합 부위에서 자연스럽게 두 반도체의 전자 밀도가 서로 같아지려는 현상을 보이게 될 것입니다.

 

 두 반도체의 전자 밀도가 같아지는 현상을 보이기 위해 결과적으로 p형 반도체에 있는 정공이 n형 반도체 쪽으로, n형 반도체에 있는 전자는 p형 반도체 쪽으로, 각각 서로 반대쪽 반도체로 넘어가게 됩니다.

 

 하지만 각각의 p형 반도체와 n형 반도체는 전자와 정공이 서로 넘어가지 않은 원래 상태가 안정된 상태이기 때문에 이 현상은 접합 면에 n->p의 방향을 가지는 전기장을 만들게 되면서 이 전기장이 역전압이 됩니다.

 

 

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순방향 바이어스

 순방향 바이어스는 공핍(depletion)영역의 폭이 줄어들게 되는 바이어스입니다. 간단히 설명하면 P형 반도체 부분에 (+) 전압을 주고, N형 반도체 부분에 (-) 전압을 걸어주는 경우에 걸리는 바이어스입니다.

 

 이렇게 P형 부분에 (+) 전압을 주고 N형 부분에 (-)전압을 걸어주게 되면 P형 반도체 영역에 있는 정공과 N형 반도체 영역에 있는 전자가 서로 접합 면 쪽으로 끌려오게 됩니다.

 

 

 P형 반도체 영역에 걸린 양전하가 정공을 밀어내고, 반대로 N형 반도체 영역에 걸린 음전하가 전자를 밀어내면서 접합 면 쪽으로 오게 되는 것입니다.

 

 그렇게 되면 당연히 공핍(depletion)영역의 폭이 줄어들게 될 것입니다.

 

 이렇게 공핍 영역(depletion)의 폭이 줄어들게 되면 P-N 접합 면의 전위 장벽이 줄어들게 되고, 전기저항이 낮은 값이 되는 것입니다.

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역방향 바이어스

 역방향 바이어스는 P형 반도체 부분에 (+)전압을 주고 N형 반도체 부분에 (-)전압을 주어서 만드는 정방향 바이어스와는 반대로, N형 반도체 부분에 (+) 전압을 걸어주고, P형 반도체 부분에 (-) 전압을 걸어주는 경우에 발생하는 바이어스입니다.

 

 이렇게 하면 built-in potential 평형상태보다 높아지는 현상 때문에 캐리어들이 반대영역으로 움직일 수 없게 되고, 따라서 전류가 흐르지 않습니다.

 

 

 이게 바로 역방향 바이어스입니다. 하지만 만약에 높은 역방향 바이어스를 걸어줄 경우에는 breakdown에 의해 역방향 전류가 형성됩니다.

 참고로 Breakdown의 종류에는 Zener breakdown, avalanche breakdown이 있습니다.

제너 다이오드(Zener diode)

 제너 다이오드(Zener diode)에 대해서 간단히 알아보려고 합니다.

 

 제너 다이오드(Zener diode)는 반도체 다이오드의 일종이고 정전압 다이오드라고도 부릅니다.

 

 제너 다이오드(Zener diode)는 일반적인 다이오드와 유사한 PN 접합 구조이지만 일반적인 PN 접합 구조와 다른 점은 매우 낮고 일정한 항복 전압 특성을 가지고 있어서, 역방향으로 어느 일정값 이상의 전압이 가해졌을 때 전류가 흐르게 되는 것입니다.

 

 

 제너 다이오드는 제너 항복(Zener Breakdown)과 전자사태 항복(Avalanche Breakdown) 현상을 이용하며, 5.6V 이하에서는 제너 항복(Zener Breakdown)이 주 특성이 되고, 그 이상에서는 전자사태 항복(Avalanche Breakdown) 현상이 주 특성이 됩니다.

 

 제너 항복(Zener Breakdown)에서는 온도 계수가 부성이며 전자사태 항복(Avalanche Breakdown)에서는 그 반대가 됩니다.

 

 이런 특성 때문에 제너 다이오드(Zener diode)는 넓은 전류 범위에서 안정된 전압 특성을 보이기 때문에 주로 간단히 정전압을 만들거나 과전압으로부터 회로소자를 보호하는 용도로 사용됩니다.

 PN Junction부터 제너 다이오드까지 살펴봤습니다. 많은 도움이 되셨으면 좋겠습니다.

 

 

P형도핑, N형도핑 반도체란 무엇일까?